JP2013217558A - 加熱器利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクル装置および蒸気ボイラーの使用エネルギー削減が求められている。断熱圧縮機を用いないで低圧の気体を高温に気体に連続的に昇温する装置が求められている。低圧の水蒸気を連続的に高温の水蒸気にする技術が求められている。電力供給力が不足し冷凍サイクル装置の節電と電力以外のエネルギーで運転できる冷凍サイクルがもとめられている。
【解決手段】低圧気体の吸入口を低部に高圧気体の吐出口を高部に配置した圧力容器と加熱熱源を有する加熱器で気体を加熱し、軽くなった気体を上昇させ圧力容器内を負圧にして低圧の気体を連続的に加熱器に吸入させる。この結果低圧気体を連続的に昇温できる。また過熱蒸気を断熱膨張して動力を得て発電できる。
【選択図】図５

Description

本発明は汽水発電装置および冷凍サイクル装置及び乾燥機に関する

高温蒸気生成装置として蒸気ボイラーがある。
真空蒸気発生装置がある。
真空乾燥装置がある。
冷凍サイクル装置として蒸気圧縮冷凍サイクル装置がある。
蒸気圧縮冷凍サイクルの動力は主に電力である。
冷凍サイクル装置は食品の冷凍、冷蔵に使用されている。
またエアコンとして多数使用されている。
冷凍サイクルの効率向上策としてインバーター制御技術や液ガス熱交換、エジェクター等がある。

よくわかる最新冷凍空調の基本と仕組み 高石吉登著 ゼロから学ぶ熱力学 小暮陽三著 上級 冷凍受験テキスト 社団法人 日本冷凍空調学会 やさしいボイラーの教科書 南雲健治著 火力発電総論 瀬間 徹 監修

冷凍サイクル装置および蒸気ボイラーの使用エネルギー削減が求められている。
蒸気ボイラーでは液体の水から水蒸気を生成しており、予め水蒸気にすると使用エネルギーが削減できることが知られている。
そこで低圧の水蒸気を連続的に高温の水蒸気にする技術が求められている。
汽水火力発電のエネルギー効率の向上が求められている。
蒸気圧縮冷凍サイクル装置には断熱圧縮機が使用され大部分は電力で駆動されている。
冷凍サイクル装置の節電が求められている。
電力供給力が不足し電力以外のエネルギーで運転できる冷凍サイクルがもとめられている。

本目的を達成するための加熱器利用装置であって
作動流体と、
圧力容器と作動流体の気体を加熱する加熱熱源からなる加熱器と、
加熱器の低温気体入り口を高温気体出口より低い位置に配置する事を特徴とするものである。
作動流体とは冷凍サイクル装置では冷媒、汽水発電では水である。
加熱器は気体を加熱によって圧力一定で高温にする。
所謂過熱蒸気にする。
過熱蒸気は比体積が増し軽くなる。
加熱器の出口を入り口より高くし自由端にすると加熱された気体は上昇し加熱器から流出し加熱器の下部は負圧となる。
いわゆる煙突効果である。
この現象を利用すると低温の気体を連続的に高温にする事ができる。
加熱熱源は燃焼熱熱源、電気抵抗発熱熱源、太陽熱集熱熱源、外気熱源、水道水熱源、エンジン燃焼排熱熱源などである。
熱交換器も加熱器の一種である。

また、更に前記作動流体を前記加熱器に供給する作動流体供給手段を備える事を特徴とするものである。
作動流体供給手段とは水であれば給水装置、乾燥機であれば被乾燥物の衣類、食品である。

また、更に前記作動流体の気体を最終加熱温度に加熱する最終加熱器を備える事を特徴とするものである。
ボイラーであれば水蒸気、冷凍サイクル装置であれば冷媒を最終吐出温度まで加熱する加熱器が最終加熱器ある。作動流体は低圧高温の過熱蒸気である。
外気温、外水温まで熱交換で加熱すると最終加熱するエネルギーが削減できる。
熱交換器でも加熱器の下部が低温部で上部が高温になるように配置する。

また、更に前記最終加熱器の最終加熱温度以下の余熱熱源を備える余熱加熱器を備える事を特徴とするものである。
余熱熱源とは最終加熱熱源温度以下の熱源のことである。
ボイラーのドレイン、外気熱源、水道水地下水等の外水熱源、ボイラー燃焼排熱、エンジン廃熱熱源などである。この気体も過熱蒸気である。
この熱源と低温気体とを熱交換すると最終加熱エネルギーが削減できる。

また、更に前記最終加熱器を上部構造とし、前記余熱加熱器を下部構造とする事を特徴とするものである。
加熱された過熱気体は軽くなるので温度の高低と位置の高低を合わせる。余熱加熱器より最終加熱器を上部に配置する。

また、更に前記作動流体の気体を断熱膨張する断熱膨張手段を備える事を特徴とするものである。
蒸発した飽和温度圧力の気体を断熱膨張させるとエネルギーを放出して等温圧縮して、液化される。ゆえに冷凍サイクルでは凝縮器が不要となる。
また作動流体が過熱蒸気であれば、過熱温度相当のエネルギー分を断熱膨張させると蒸気が液化する事なく仕事に変換できる。断熱膨張手段とはタービンのことである。

また、更に前記断熱膨張手段で低温低圧化された作動流体の気体を循環させる作動流体循環手段を備える事を特徴とするものである。
過熱蒸気を断熱膨張手段で飽和蒸気圧までさげエネルギーを取り出し、蒸気のまま循環して加熱器で過熱蒸気にする。
気化熱を従来技術のように復水器に捨てないので効率が向上する。
蒸発温度を余熱熱源の外気、地下水、海水、水道水などの自然熱源にすると燃料等の外部エネルギー無しで機械エネルギーが取り出せる。

また、更に前記断熱膨張手段で低温低圧化された作動流体の湿り蒸気の気液を分離する気液分離器を備える事を特徴とするものである。
飽和蒸気を断熱膨張すると等温圧縮過程になり気体が徐徐に液化されていく。
完全に気体を断熱膨張すると冷凍サイクルでは凝縮器と断熱膨張器すなわちタービンは同じ機能になる。タービンが液で機能しなくならない様に気液を分離する。

また、更に前記気液分離器で分離された低温低圧の作動流体の液を高圧で送出する液体高圧送出手段を備える事を特徴とするものである。
冷凍サイクルのようなサイクルの場合サイクルを回すために高圧部が必要となる。
液体を高圧にするのは高圧ポンプで容易に実現できる。

また、更に前記加熱器で加熱された作動流体の過熱蒸気と作動流体の低温液体とを熱交換する熱交換器を備える事を特徴とするものである。
低圧で蒸発して加熱された過熱蒸気は熱エネルギーを持っているが圧力が低い。
そこで低温低圧の液体と熱交換して熱エネルギーを移動させる。
ボイラーあれば過熱蒸気と水を熱交換して温水または蒸気を生成する。
１００度以上の蒸気が必要なときは高圧ポンプで水の圧力をあげて飽和蒸気圧を上げておくと良い。
また冷凍サイクルであれば受液器内の液冷媒と熱交換する。
その後この高温冷媒と蒸発器を出た低温低圧冷媒と熱交換するとエネルギーが節減できる。

また、更に前記作動流体の液体を減圧する液体減圧手段を備える事を特徴とするものである。
冷凍サイクルであれば膨張弁、キャピラリーチューブである。

また、更に前記作動流体の液体を供給する液体供給手段を備える事を特徴とするものである。
液体供給手段とは蒸気ボイラーでは給水である。

また、更に前記液体減圧手段で減圧された液体を蒸発させる蒸発器を備えることを特徴とするものである。
冷凍サイクルでは蒸発器である。

また、更に前記蒸発器に気化熱を供給する気化熱供給手段を備えることを特徴とするものである。
気化熱供給手段とは冷凍サイクルの乾式蒸発器ではファンとプレートフィンによる外気の吸熱である。
既存の蒸気ボイラーでは低温の液体の水から高温の水蒸気を生成している。
よって使用熱量は潜熱の気化熱と顕熱の合計である。
そこで予め液体の水を蒸発器で蒸発させる。蒸発器の上部に配置された加熱器を加熱して煙突効果で下部の蒸発器内を負圧にして低圧で蒸発させる。水を低圧下で気化させ気化熱を燃料以外の外部熱源である地下水や水道水や海水または外気で供給することで気化熱分の燃料エネルギーが削減される。
これで過熱蒸気生成の際のエネルギーが気化熱分削減できる。
気化熱供給を水で行う場合は蒸発器の熱源は水となる。
水は冷却される。雰囲気の空気を熱源とすれば冷房となる。
また高圧の湿り蒸気を生成する時は高圧ポンプで液体を高圧にして過熱蒸気と熱交換すればよい。
１ｇの摂氏０度の液体の水を摂氏１００度の過熱蒸気にする場合
水の気化熱 摂氏０度 ２４００J 外部より供給
ゆえに ０J
１００度分の顕熱 ２J×１００＝２００J
従来の場合 ２６００J
今回 ２００J
削減効果 １ｇあたり ２４００J
となり大幅にエネルギーが削減される。
水不足の土地では水蒸気と空気との熱交換でも良い。
高温熱源は電気抵抗発熱、燃焼熱熱源、太陽熱集熱熱源などである。

また、更に前記蒸発器を下部構造とし、
前記加熱器を上部構造とする事を特徴とするものである。
加熱器は過熱蒸気になり軽くなるので煙突効果を生むために蒸発器の上に配置する

また、更に前記加熱器を過熱度の大きい加熱器を上部に配置する事を特徴とするものである。
過熱度が大きいほど軽くなるので上部に配置する。

また、更に前期最終加熱器で加熱された気体を外部に放出する気体放出手段を備える事を特徴とするものである。
過熱蒸気ボイラーでは蒸気の放出管の事である。
乾燥機では蒸気放出管である。

また、更に前記気体放出手段で放出された気体の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する熱機械エネルギー変換手段を備える事を特徴とするものである。
いわゆる蒸気タービンである。
低温低圧で蒸発した蒸気を加熱して過熱蒸気にすると蒸発圧力まで液化されないのでタービンに液が付着せずタービンが傷つかない。
またタービンの圧力が低いので機器の構造が簡単になる。

また、更に前記熱機械エネルギー変換手段で変換された機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電手段を備える事を特徴とするものである。
所謂発電機である。

また、更に移動手段を備える事を特徴とするものである。
移動手段とは自動車、船舶、鉄道車両、建設機械等である。取り出した機械エネルギーで移動手段を動かす。
また加熱器を利用した冷凍サイクル装置を車、船舶、鉄道車両、建設機械に搭載する。

また、更に前記蒸発器の出口に取り付けた圧力スウィッチと、
前記液体減圧手段の出口に取り付けられた電磁弁を備える事を特徴とするものである。
上部を加熱器で加熱すると煙突効果で下部が負圧になる。
圧力スウィッチを任意の蒸発圧力に設定して煙突効果で所定の圧力に下がると電磁弁を開き液体を供給する。
これで煙突効果を利用した蒸発圧力制御ができる。

また、更に前記蒸発器の出口に逆止弁を備える事を特徴とするものである。

また、更に断熱圧縮機を備える事を特徴とするものである。

また、更に加熱器利用装置を備えた建築物及び工作物である。

また、更に前記作動流体と、
圧力容器と、
吐出弁と、
吸入弁と、
圧力容器内を移動するピストンと、
ピストンと吐出弁と吸入弁を制御する制御手段からなる定容加熱器をそなえる事を特徴とするものである。

また、更に海水吸入手段と、
前記蒸発器で水分が蒸発して塩分濃度が上昇した海水を排水する海水排水手段を備える事を特徴とするものである。
海水淡水化装置である。

また、更に断熱膨張手段を断熱膨張器とする事を特徴とするものである。

液体を低温低圧で蒸発させ低圧のまま加熱して連続的に昇温して過熱蒸気を生成できる。
この結果気化熱従来技術と比べて過熱蒸気生成エネルギーが大幅に削減できる。
過熱蒸気または蒸気を断熱膨張させて機械エネルギーを取り出し、蒸気を低温低圧にする事ができる。
冷凍サイクルにおいては蒸気を断熱膨張させて発電機を取り付けると発電が出来て、凝縮器が不要となる。
また沸点が低い冷媒、二酸化炭素を使用して摂氏−６０度で蒸発させ外部の自然熱源である外気、海水などを熱源にして過熱蒸気を生成しタービンを回して発電を行うと、化石燃料などのエネルギーを全く使用しない発電が可能となる。

加熱器である。１は圧力容器で２は加熱熱源である。３の加熱器入り口は４の加熱器出口より低く配置する。 加熱器詳細図である。プレートコイル式熱交換器を１の圧力容器に収容したものである。熱交換器として使用する場合は７のコイル（銅管）に液体を接触させ６のプレートフィンを気体と接触させる。８の作動流体の入り口を下部に９の出口を上部に配置する。 乾燥機である。１２は乾燥室で圧力容器内に水を含んだ１３の衣類、食品等を収容する。１８の最終加熱器の加熱熱源が２の電気ヒーターである。最終加熱器を加熱すると加熱器内の空気が加熱され過熱蒸気になり煙突効果で下部の予熱器内が負圧になる。１５は圧力スウィッチで圧力が所定の蒸発圧力にまで下がると１４の電磁弁を開く。乾燥室内の圧力が下がり衣類などの水分が蒸発する。蒸発の際には気化熱分の熱量が必要であるが、外部熱源である１７の地下水で供給する。熱源は蒸発温度より高温の熱源が必要である。高温熱源として外気、水道水、地下水を利用する為、蒸発温度は外気温等より低温にする。水を摂氏零度で蒸発させるためには５００パスカルに設定し煙突効果で５００パスカル以下で電磁弁をひらく。外気温、地下水温度まで１６の予熱加熱器で加熱すると最終加熱器の消費エネルギーが削減される。従来の乾燥機に比して本発明では気化熱を外部熱源から吸熱するので気化熱分、水であれば１ｇあたり２４００J節減できる。各加熱器の配置は蒸気の温度の上下で配置する。下から乾燥室、予熱加熱器、最終加熱器の順である。 冷凍サイクルである。19の蒸発器で蒸発した冷媒は２１のタービンで断熱膨張されて低圧の液体になる。この過程は気体の冷媒が断熱膨張しタービンで機械エネルギーに変換され徐徐に液化されている等温圧縮過程である。気体のエネルギーが放出され液化される。液化された液体を２５の受液器にためる。低圧の液のままでサイクルにならないので２６の高圧ポンプで液体を高圧にする。高圧になった液体の冷媒を２７のキャピラリーチューブで絞り膨張して所定の圧力にする。この結果、従来の冷凍サイクルの凝縮器で廃棄されていた潜熱エネルギーが動力、電力に変換される。凝縮器は不要となる。冷媒を二酸化炭素にして−７０度で蒸発させ、外気温を０度とすると１ｋｇあたり外気を熱源として、二酸化炭素の気化熱約１７５ｋＪと７０度分の定容比熱０．８６５ｋＪ／ｋｇ７０×０．８６５＝６０．５５ｋＪ２３５．５５Ｊの機械エネルギーが取り出せる。各機器の配置は作動流体の温度の上下で配置する。下から、蒸発器、予熱加熱器、最終加熱器と配置する。- 汽水発電サイクル装置である。１９の蒸発器で液体の水を低温低圧で蒸発させる。蒸発させる。予熱加熱器で外気または水道水、海水を熱源とするためには蒸発温度を予熱熱源温度以下にする必要がある。水の飽和蒸気圧は摂氏−２０度で１００パスカルなので煙突効果を利用して１００パスカルを実現する。１８の最終加熱器、１６の予熱加熱器を加熱して蒸発圧力をさげると１５の圧力スウィッチが作動して１４の電磁弁が開き蒸発を開始する。蒸発熱は２０の外気で供給する。更に飽和蒸気圧で蒸発した水蒸気を１６の予熱加熱器で外気温まで加熱し低圧の過熱蒸気にする。２８の燃焼熱熱源で１８の最終加熱器内の予熱器で過熱された過熱蒸気を更に加熱する。この過熱蒸気を２のタービンで断熱膨張させて機械エネルギーに変換し２３の発電機で発電する。２１のタービンで低温になった蒸気を蒸発器出口に導き循環させる。なおタービンでは蒸発温度まで断熱膨帳させる。これで飽和蒸気温度以下にならないので常に乾燥蒸気でタービンが水で傷つかない。乾燥蒸気が循環するので本発明では、復水器が不要で気化熱を復水器に捨てる事がなくなり発電エネルギー効率が向上する 乾燥機のｐ−ｈ線図である。３０は蒸発器入口３１は蒸発器出口３２は予熱加熱器出口３３は最終加熱器出口３０−３１は等温膨張（蒸発）過程３１−３２は予熱加熱過程３２−３３は最終加熱過程である。 冷凍サイクルのｐ−ｈ線図である。３０−３１は蒸発過程である。等温膨張吸熱過程である。３１−３０は凝縮過程である。等温圧縮放熱過程である。この放熱を断熱膨張による仕事への変換で行う。この過程は気体が断熱膨張をして仕事をしながら液化される。断熱膨張手段はタービンや断熱膨張器である。３０−３２は等比エントロピー変化であり、高圧ポンプで液体を高圧にする。この時わずかに温度も上昇する。３２−３３は絞り膨張過程である。等エンタルピー蒸発圧力まで絞り膨張で圧力を下げる。 汽水発電のｐ−ｈ線図である。３０−３１蒸発３１−３２予熱加熱での加熱過程３２−３３最終加熱器でも加熱３３−３０は断熱膨張による仕事への変換による凝縮過程３０−３４は高圧ポンプによる昇圧。わずかに温度が上昇３４−３５絞り膨張過程

１ 圧力容器
２ 電気抵抗発熱
３ 圧力容器入口
４ 圧力容器出口
５ 逆止弁
６ アルミプレート
７ 銅管
８ 冷媒入口
９ 冷媒出口
１０ 銅管入口
１１ 銅管出口
１２ 乾燥機
１３ 水を含んだ衣類
１４ 電磁弁
１５ 圧力スウィッチ
１６ 予熱加熱器
１７ 地下水
１８ 最終加熱器
１９ 蒸発器
２０ 外気
２１ タービン
２２ 動力
２３ 発電
２４ 汽液分離機
２５ 受液器
２６ 高圧ポンプ
２７ キャピラリーチューブ
２８ 燃焼熱
２９ 給水タンク
３０ 蒸発器入口
３１ 蒸発器出口
３２ 予熱加熱器出口
３３ 最終加熱器出口
３４ 高圧ポンプによる昇圧点
３５ 蒸発器開始点

Claims (27)

1. 加熱器利用装置であって
   作動流体と、
   圧力容器と作動
   流体の気体を加熱する加熱熱源からなる加熱器と、
   加熱器の低温気体入り口を高温気体出口より低い位置に配置する事を特徴とする加熱器利用装置
2. 更に前記作動流体を前記加熱器に供給する作動流体供給手段を備える事を特徴とする請求項１の加熱器利用装置
3. 更に前記作動流体の気体を最終加熱温度に加熱する最終加熱器を備える事を特徴とする請求項１または２の加熱器利用装置
4. 更に前記最終加熱器の最終加熱温度以下の余熱熱源を備える余熱加熱器を備える事を特徴とする請求項１〜３いずれかの加熱器利用装置
5. 更に前記最終加熱器を上部構造とし、前記余熱加熱器を下部構造とする事を特徴とする請求項１〜４いずれかの加熱器利用装置
6. 更に前記作動流体の気体を断熱膨張する断熱膨張手段を備える事を特徴とする請求項１〜５いずれかの加熱器利用装置
7. 更に前記断熱膨張手段で低温低圧化された作動流体の気体を循環させる作動流体循環手段を備える事を特徴とする特徴とする請求項１〜６いずれかの加熱器利用装置
8. 更に前記断熱膨張手段で低温低圧化された作動流体の湿り蒸気の気液を分離する気液分離器を備える事を特徴とする請求項１〜７いずれかの加熱器利用装置
9. 更に前記気液分離器で分離された低温低圧の作動流体の液を高圧で送出する液体高圧送出手段を備える事を特徴とする請求項１〜８いずれかの加熱器利用装置
10. 更に前記加熱器で加熱された作動流体の過熱蒸気と作動流体の低温液体とを熱交換する熱交換器を備える事を特徴とする請求項１〜９いずれかの加熱器利用装置
11. 更に前記作動流体の液体を減圧する液体減圧手段を備える事を特徴とする請求項１〜１０いずれかの加熱器利用装置
12. 更に前記作動流体の液体を供給する液体供給手段を備える事を特徴とする請求項１〜１１いずれかの加熱器利用装置
13. 更に前記液体減圧手段で減圧された液体を蒸発させる蒸発器を備える事を特徴とする請求項１〜１２いずれかの加熱器利用装置
14. 更に前記蒸発器に気化熱を供給する気化熱供給手段を備える事を特徴とする請求項１〜１３いずれかの加熱器利用装置
15. 更に前記蒸発器を下部構造とし、
    前記加熱器を上部構造とする事を特徴とする請求項１〜１４いずれかの加熱器利用装置
16. 更に前記加熱器を過熱度の大きい加熱器を上部に配置する事を特徴とする請求項１〜１５いずれかの加熱器利用装置
17. 更に前期最終加熱器で加熱された気体を外部に放出する気体放出手段を備える事を特徴とする請求項１〜１６いずれかの加熱器利用装置
18. 更に前記気体放出手段で放出された気体の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する熱機械エネルギー変換手段を備える事を特徴とする請求項１〜１７いずれかの加熱器利用装置
19. 更に前記熱機械エネルギー変換手段で変換された機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電手段を備える事を特徴とする請求項１〜１８いずれかの加熱器利用装置
20. 更に移動手段を備える事を特徴とする請求項１〜１９いずれかの加熱器利用装置
21. 更に前記蒸発器の出口に取り付けた圧力スウィッチと、
    前記液体減圧手段の出口に取り付けられた電磁弁を備える事を特徴とする請求項１〜２０いずれかの加熱器利用装置
22. 更に前記蒸発器の出口に逆止弁を備える事を特徴とする請求項１〜２1いずれかの加熱器利用装置
23. 更に断熱圧縮機を備える事を特徴とする請求項１〜２２いずれかの加熱器利用装置
24. 更に請求項１〜２３の加熱器利用装置を備えた建築物及び工作物
25. 更に前記作動流体と、
    圧力容器と、
    吐出弁と、
    吸入弁と、
    圧力容器内を移動するピストンと、
    ピストンと吐出弁と吸入弁を制御する制御手段からなる定容加熱器をそなえることを特徴とする請求項１〜２４いずれかの加熱器利用装置
26. 更に海水吸入手段と、
    前記蒸発器で水分が蒸発して塩分濃度が上昇した海水を排水する海水排水手段を備えることを特徴とする請求項１〜２５いずれかの加熱器利用装置
27. 更に断熱膨張手段を断熱膨張器とする。
    

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